Результаты, опубликованные в Интернете 21 ноября, описывают беспрецедентный подход к разработке и изучению тканей кишечника — крупнейшего иммунного органа организма, его кухонного комбайна и основного интерфейса с внешним миром. Авторы исследования из Медицинского центра детской больницы Цинциннати говорят, что эта статья приближает медицинскую науку на шаг ближе к использованию человеческих плюрипотентных стволовых клеток (которые могут стать клетками любого типа в организме) для регенеративной медицины и выращивания индивидуального кишечника человека для трансплантации.«Когда-нибудь эта технология позволит нам вырастить часть здоровой кишки для трансплантации пациенту, но возможность использовать ее сейчас, чтобы тестировать и задавать бесчисленные новые вопросы, в наибольшей степени поможет здоровью человека», — сказал Майкл Хельмрат, доктор медицинских наук. , со-ведущий исследователь и хирургический директор программы кишечной реабилитации в Cincinnati Children’s.Эта способность начинается с возможности моделировать и изучать кишечные расстройства в функционировании трехмерной ткани человеческого органа с генетически специфическими клетками пациента.
Технология также позволит исследователям испытать новые терапевтические средства в функционирующем кишечнике человека, созданном в лаборатории, перед клиническими испытаниями на пациентах.«Многие пероральные препараты вызывают диарею, спазмы и нарушают перистальтику кишечника.
Непосредственная цель этой технологии, которая могла бы помочь наибольшему количеству людей, — это предварительная проверка новых лекарств для выявления нецелевых токсических эффектов и предотвращения побочных эффектов. в кишечнике ", — объяснил Джим Уэллс, доктор философии, со-ведущий исследователь и директор Центра плюрипотентных стволовых клеток в Cincinnati Children’s.Поскольку наука продолжает узнавать больше о том, насколько важно здоровье кишечника для общего здоровья, Уэллс и Хельмрат заявили, что использование функционирующего лабораторного кишечника человека открывает множество новых исследовательских возможностей. Некоторые из них включают возможность проводить более глубокие исследования питания, диабета, тяжелых кишечных заболеваний (например, некротического энтерколита) и биохимических изменений в организме после операции по снижению веса с обходным желудочным анастомозом.
Нервы Nature’s WayИсследователи начали с того, что подвергли плюрипотентные стволовые клетки человека биохимической ванне, которая запускает их формирование в ткани кишечника человека в чашке Петри.
Процесс был практически таким же, как и тот, который использовался лабораторией Уэллса в знаменательном исследовании Nature 2010 года, в котором сообщалось о первом в истории поколении трехмерных кишечных органоидов человека в лаборатории.В кишечных тканях из первоначального исследования отсутствовала кишечная нервная система, которая имеет решающее значение для движения отходов через пищеварительный тракт и всасывания питательных веществ.
Согласно Уэллсу, желудочно-кишечный тракт содержит второе по величине количество нервов в организме человека. Когда эти нервы не работают должным образом, это препятствует сокращению мышц кишечника. Это вызывает боль в животе, диарею, запор, а в тяжелых случаях создает функциональные блокировки, требующие хирургического вмешательства.Чтобы спроектировать нервную систему для кишечных органоидов, уже растущих в одной чашке Петри, исследователи создали нервные клетки эмбриональной стадии, называемые клетками нервного гребня, в отдельной чашке.
Клетками нервного гребня манипулировали, чтобы сформировать клетки-предшественники для кишечных нервов. Задача на этом этапе заключалась в том, чтобы определить, как и когда включить клетки нервного гребня в развивающийся кишечник.«Мы испробовали несколько разных подходов, в основном основанных на гипотезе о том, что, если вы поместите нужные клетки вместе в нужное время в чашке Петри, они будут знать, что с ними делать. Это было неудачно, но это сработало», — сказал Уэллс. , который считает, что биолог развития детей из Цинциннати Саманта Бругманн, доктор философии (и соавтор исследования) предоставила критическую информацию о развитии эмбриональных нервов.
Подходящая смесь заставляла клетки-предшественники кишечных нервов и кишечник срастаться вместе, напоминая развивающийся кишечник плода. Результат был первым доказательством создания сложных и функциональных трехмерных кишечных органоидов в чашке Петри, полностью полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека.
Тестирование in vivoКлючевым тестом для искусственно созданного кишечника и нервов была их трансплантация в живой организм — в данном случае лабораторных мышей с подавленной иммунной системой. Это позволило исследователям увидеть, насколько хорошо ткани растут и функционируют. Данные исследования показывают, что ткани работают и устроены так же, как естественный кишечник человека.
Они уверенно растут, перерабатывают питательные вещества и демонстрируют перистальтику — серию волнообразных мышечных сокращений, которые перемещают пищу по пищеварительному тракту.Затем исследователи использовали эту технологию для изучения молекулярного прогрессирования редкой формы болезни Гиршпрунга — состояния, при котором прямая и толстая кишки не могут развить нормальную нервную систему, что приводит к накоплению отходов. Тяжелая форма болезни Гиршпрунга вызвана мутацией в гене PHOX2B. Тесты на чашке Петри и на мышах показали, что мутация PHOX2B вызывает глубокие пагубные изменения в иннервируемых тканях кишечника.
Настоящее исследование сочетает в себе фундаментальные исследования и клиническую информацию, полученную от сотрудников лаборатории биологии развития и эндокринологии Уэллса и исследовательской группы общей / торакальной хирургии из Гельмрата, которая заботится о детях с широким спектром нарушений пищеварения. В числе первых авторов Максим Маэ, доктор философии, инструктор лаборатории Гельмрата, и Майкл Уоркман, доктор философии, бывший сотрудник лаборатории Уэллса.